2023年9月、理研を中心とする研究グループは、仁科加速器科学研究センターのRIビームファクトリー内に完成させた巨大な装置を使い、世界で初めてあらゆる原子核の内部構造を精度良く直接観測できることを実証しました。宇宙の謎の解明にもつながるという大きな成果。実証実験を率いた大西 哲哉 部長に、詳細な内容と意義、成功の要因を聞きました。
重元素の合成に重要な役割を果たす不安定核
宇宙では超新星爆発などにより、鉄よりも重い重元素が合成されている。現在、天然には約300種類の「安定核」と呼ばれる原子核が存在するが、重元素の合成過程では、限られた寿命を持つ原子核で、理論的には約1万種類存在するという「不安定核」が非常に重要な役割を果たしていることが分かっている。
不安定核の内部構造が詳しく分かれば、重元素の合成過程、ひいては宇宙開びゃくの謎にも迫ることができる。しかし、これまで不安定核の内部構造を精度良く直接観測することはできなかった。
このような中、世界に先駆けて不安定核の内部構造を精度良く直接観測できる装置を開発し、2023年9月、その装置を使った実証実験に成功したと発表したのが、大西 部長を中心とする研究グループだ。
不安定核を観測するために開発した「SCRIT（スクリット）法」
大西 部長は、これまで不安定核の内部構造を精度良く直接観測できなかった理由をこう説明する。「安定核の内部構造は、『電子散乱』と呼ばれる方法を使って観測されてきました。これは、原子核に電子を照射して、跳ね返ってきた電子を直接観測することで、原子核の内部構造が詳細に分かるというものです。しかし、不安定核は放射性崩壊により、他の原子核に徐々に置き換わっていきます。置き換わる速度が速く、あっという間になくなってしまう不安定核も存在します。したがって、観測に必要な量を確保できず、電子散乱による観測を行うことができなかったのです。そのため、どうすれば不安定核を電子散乱によって観測できるかが、世界中の研究者たちの大きな課題となっていました。その突破口を最初に切り開いたのが、2008年に理研が開発した独自の技術『SCRIT法』でした」
リング状の「SCRIT電子散乱装置」の中を高速で周回する電子ビームの周辺に、イオン化した原子核をトラップ（その場に集めて留まらせる）し、その原子核に電子ビームが当たることで、電子散乱を起こさせる。
イオン化した原子核はプラスに、電子ビームはマイナスに帯電しているので、電子ビームの周辺に原子核をトラップすることができるという仕組みだ。つまり、電子ビームは、原子核をトラップする役割と、電子散乱を起こさせる役割の二つを兼ねている。
このアイデアを基に、不安定核を電子ビームの周辺にトラップするため、大西 部長らは不安定核の供給源として、SCRIT電子散乱装置の隣に不安定核生成分離装置（ERIS）とクーラーバンチャー（FRAC）と呼ばれる装置を設置することにした（図1）。
これらは不安定核を生成・蓄積し、イオンビームを供給する装置だ。これにより測定に必要な量の不安定核イオンビームを、隣接するSCRIT電子散乱装置の中に引き込むことで、不安定核の電子散乱を起こさせようという目論見だ。生成したばかりの不安定核をすぐさま供給することで、量が少なく、寿命が非常に短い不安定核であっても、原子核の内部構造を直接観測することができる。
「この方法を『オンライン生成不安定核の電子散乱』と呼んでいます。2023年に実施した実証実験では、見事にわれわれのもくろみ通り、生成したばかりの不安定核の電子散乱に世界で初めて成功しました」
図1 SCRIT法を使った実験装置の仕組み
「電子加速器」で加速した電子を「電子蓄積リング」に送る。蓄積された電子はリング内を周回する。一方、「ウラン標的イオン源」では電子ビームを光に変換しウランに照射。ウランが分裂し不安定核を生成、イオン化する。「生成分離装置」では、生成した数多くの種類の不安定核の中から特定の不安定核のみを分離、イオンビームとして送る。これを「クーラーバンチャー」で蓄積し、パルスビームにして「SCRIT電子散乱装置」に送る。送った不安定核は、周回する電子のビームに沿ってトラップされる。トラップされた不安定核に周回する電子が次々と衝突する。衝突した電子の一部は電子散乱を起こす。それを「分析磁石」と「検出器」を使って分析する。この分析結果から、不安定核の内部構造（陽子の分布）を調べることができる。
実証実験を成功に導いた厄介者とは？
実証実験の成功は、SCRIT法と不安定核のオンライン生成の二つを組み合わせたことによってもたらされたものだといえる。しかし、実はSCRIT法が生まれた背景には、長年にわたり加速器を使った研究者たちを悩ませ続けた、ある厄介者の存在があったという。
「加速器で電子ビームを周回させるとき、電子ビームの周囲にイオンがまとわりつくという現象は以前から知られていました。加速器の中は真空とはいえ、極微量の酸素や水素が漂っています。それがプラスイオンとなり、電子ビームに引き寄せられるのです。このイオンは、加速器を使った実験においては電子ビームに悪影響を及ぼす非常に厄介な存在で、研究者たちを悩ませていました。しかし、2000年ごろ、それに目をつけたのが理研の若杉 昌徳、須田 利美、矢野 安重という3人の研究者でした。彼らのアイデアはこの現象を逆手に取り不安定核の観測に利用するというもの。この研究プロジェクトに、私も初期段階から参加していました」
つまり、酸素や水素のプラスイオンを、不安定核のプラスイオンに置き換えれば、多くの不安定核を電子ビームの周りに留まらせることができ、それにより電子散乱を起こさせることができるのではないかとひらめいたのだ。この逆転の発想こそがSCRIT法の原点であり、世界初の快挙につながったのである。
「今回、RIビームファクトリー内に完成させたこの観測装置は、あらゆる原子核の内部構造を観測できる巨大な新型電子顕微鏡といえるでしょう。とはいえ、すべての原子核を観測するためには、今後も電子ビームのパワーを上げるなどの改良やチューニングが不可欠です。新たな実証実験に向け、観測装置の開発を続けることで、ぜひとも宇宙の謎の解明や、ニホニウムに次ぐ新元素の発見に貢献したいですね」と大西 部長は意気込む。
（取材・構成：山田 久美／撮影：相澤 正。／制作協力：サイテック・コミュニケーションズ）
関連リンク
- 2023年9月1日プレスリリース「オンライン生成不安定原子核の電子散乱に初めて成功」
- 2017年6月28日プレスリリース「原子核を見る新型電子顕微鏡の完成」
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